0 引言

    汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展,，在方便人類(lèi)的同時(shí)也會(huì)對(duì)能源和環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力。電動(dòng)汽車(chē)(Electric vehicle，EV)能有效地緩解能源危機(jī),，減少環(huán)境污染,，以其高效、節(jié)能,、低噪聲,、零排放等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到各國(guó)政府和企業(yè)的重視,，汽車(chē)的電氣化是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì),。另一方面，電動(dòng)汽車(chē)的充電方式分為有線(xiàn)充電和無(wú)線(xiàn)充電,。有線(xiàn)充電在電能傳輸過(guò)程中易產(chǎn)生火花,，影響用電設(shè)備的壽命和安全,，同時(shí)維護(hù)困難、靈活性較差,，在雨雪等惡劣環(huán)境下充電困難^[1],。而無(wú)線(xiàn)充電具有更高的靈活性和穩(wěn)定性，能夠減少對(duì)電網(wǎng)沖擊的影響,。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)供電,，這恰恰解決了目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池容量有限而導(dǎo)致續(xù)航能力不足這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題^[2]。利用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人性化,、智能化,，同時(shí)還解決了接觸式充電在安全維護(hù)方面的問(wèn)題^[3]。因此,，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)采用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)更加符合未來(lái)社會(huì)的發(fā)展方向,。

    本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)進(jìn)行探討,。首先介紹了三種常用的無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer,，WPT)技術(shù)的傳輸機(jī)理。其次描述了三種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,，并對(duì)存在的問(wèn)題及相應(yīng)的解決措施進(jìn)行總結(jié),。最后概述了WPT在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電中的發(fā)展方向。

1 無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的分類(lèi)

    常見(jiàn)的WPT技術(shù)主要包括：感應(yīng)耦合式,、微波輸能式以及耦合諧振式三類(lèi)^[4],。

    感應(yīng)耦合能量傳輸(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技術(shù)是利用松耦合變壓器,，在變壓器一次側(cè)通入交變電流,，通過(guò)電磁感應(yīng)原理在變壓器二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線(xiàn)傳輸^[5],。

    耦合諧振無(wú)線(xiàn)能量傳輸(Magenetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,，MCR-WPT)技術(shù)基于近場(chǎng)強(qiáng)耦合理論,，同樣以電磁場(chǎng)為媒介，通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的耦合諧振作用,，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線(xiàn)傳輸^[6],。由于該技術(shù)利用近場(chǎng)區(qū)的能量非輻射特性，使能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間來(lái)回傳遞,，不同頻率的物體基本不受影響,，導(dǎo)致該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效、相對(duì)ICPT技術(shù)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸,。

    微波輸能(Microwave Power Transfer,，MPT)技術(shù)是通過(guò)微波功率發(fā)生器將直流電能轉(zhuǎn)換成微波能量，并由發(fā)射天線(xiàn)聚焦后向整流天線(xiàn)高效發(fā)射,，微波能量經(jīng)自由空間傳播到整流天線(xiàn)，并經(jīng)過(guò)整流天線(xiàn)的整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流功率后給負(fù)載供電,。該技術(shù)將能量直接從發(fā)射端傳送到接收端,，傳輸損耗只有大氣損耗、雨衰和遮擋物損耗等^[7],。表1對(duì)三種技術(shù)的特性進(jìn)行概述,。

    WPT技術(shù)能否用于電動(dòng)汽車(chē)的三個(gè)主要因素是：大功率、高效率和遠(yuǎn)距離^[8],。由表1可知：MCR-WPT的傳輸距離適中,，對(duì)橫向偏移有更大的適應(yīng)度^[9]，是目前最被看好的用于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電的方式,。ICPT雖然存在傳輸距離短,，橫向偏移容差小的問(wèn)題，但是由于該技術(shù)研究起步早,，相對(duì)成熟,，已經(jīng)成功運(yùn)用在了EV無(wú)線(xiàn)充電中。而MPT技術(shù)傳輸功率小,，效率較低,，在應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電方面還需要進(jìn)一步研究。

2 WPT在EV無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用

    電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電原理如圖1所示,。具體原理是：從電網(wǎng)輸出的電能經(jīng)過(guò)控制調(diào)理電路滿(mǎn)足系統(tǒng)的輸入電壓,、輸入電流及工作頻率等的需要，而后經(jīng)過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈,，利用WPT技術(shù),，將能量傳遞到接收線(xiàn)圈，在控制調(diào)理電路的處理下,，轉(zhuǎn)換成適合給電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池充電的電壓,、電流,，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電。

2.1 ICPT在EV無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用

    新西蘭奧克蘭大學(xué)NAGENDRA G R等人最早將ICPT技術(shù)應(yīng)用于EV中,，在傳輸距離為20 cm時(shí)實(shí)現(xiàn)了10 kW的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng),，橫向偏移誤差可達(dá)到20 cm^[10]。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院SHIN J等人利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)上電動(dòng)汽車(chē)(Online Electric Vehicle,，OLEV)的無(wú)線(xiàn)充電,，傳輸距離為26 cm，輸出功率為100 kW,，傳輸效率達(dá)到80%,，第一代線(xiàn)上電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)已經(jīng)被商業(yè)化應(yīng)用在首爾大公園^[11]。東北電力大學(xué)劉闖等人搭建了一個(gè)5.5 kW的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng),，效率可達(dá)到95.73%^[12],。雖然該技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但是仍有問(wèn)題需要解決,。

    WPT應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上的前提條件是傳輸距離最小不能低于20 cm^[13],，而ICPT技術(shù)存在的最大問(wèn)題就是傳輸距離小，一般該技術(shù)的傳輸距離不大于15 cm^[14],。為此,，韓國(guó)明知大學(xué)LEE J Y等人提出了一個(gè)適用于電動(dòng)汽車(chē)的大間隙雙向無(wú)線(xiàn)能量傳輸充電器，通過(guò)利用PWM控制,，保證系統(tǒng)可以在12～20 cm的距離下穩(wěn)定的工作^[15],。新西蘭奧克蘭大學(xué)BUDHIA M等人采用將線(xiàn)圈直徑增大到700 mm，實(shí)現(xiàn)了20 cm的無(wú)線(xiàn)能量傳輸^[16],。其次,，該技術(shù)橫向偏移容差小：當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈和中心線(xiàn)圈不能完全對(duì)準(zhǔn)時(shí),，系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)迅速下降,。針對(duì)該問(wèn)題，劉闖等人通過(guò)合理設(shè)計(jì)雙LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù),，可將橫向偏移增加到12 cm^[12],。韓國(guó)先進(jìn)科技學(xué)院CHOI S Y等人提出采用不對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)將橫向位移增加到40 cm，可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電需求^[17],。西班牙薩拉戈薩大學(xué)VILLA J L結(jié)合串聯(lián)拓?fù)浜筒⒙?lián)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn),，提出一種發(fā)射端串并補(bǔ)償，拾取端串聯(lián)補(bǔ)償?shù)耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu),，將錯(cuò)位容差的范圍增大25%^[18],。

    在磁芯線(xiàn)圈參數(shù)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)傳輸性能和空間尺寸,、系統(tǒng)成本等因素相互制約,。所以如何實(shí)現(xiàn)大功率高效率及小型化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是該技術(shù)研究的難點(diǎn),。西南交通大學(xué)馬林森等人綜合E型磁芯和U型磁芯的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型磁芯結(jié)構(gòu),，能夠提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性^[19],。美國(guó)橡樹(shù)林實(shí)驗(yàn)室，日本埼玉大學(xué)分別采用方形圓角線(xiàn)圈結(jié)構(gòu),，H型磁芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)別的無(wú)線(xiàn)能量傳輸^[20-21],。

2.2 MCR-WPT在EV無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用

    MCR-WPT技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就受到各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注,。美國(guó)威斯康辛大學(xué)Sesung-Hwan Lee等人在工作頻率為3.7 MHz,，傳輸距離為30 cm的條件下，實(shí)現(xiàn)了3 kW的無(wú)線(xiàn)能量傳輸,，效率達(dá)到了95%^[22],。馬來(lái)西亞多媒體大學(xué)UDDIN M K等人在工作頻率大于400 kHz，傳輸距離為20～30 cm的條件下,，實(shí)現(xiàn)了大于3 kW的能量傳輸^[23],。中國(guó)科學(xué)院電工研究所廖成林等人基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3.3 kW的無(wú)線(xiàn)能量傳輸，傳輸距離為超過(guò)22 cm,，與底盤(pán)高度相當(dāng)^[24]。東南大學(xué)黃學(xué)良教授課題組設(shè)計(jì)了約為3.5 kW的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng),，傳輸距離約為25 cm^[25],。

    MCR-WPT雖然優(yōu)點(diǎn)很突出，但缺點(diǎn)也很明顯,。在頻率方面主要存在著失諧^[26]和頻率分裂^[27]兩個(gè)問(wèn)題,。華南理工大學(xué)傅文珍等人指出受到電磁場(chǎng)環(huán)境、溫度的影響,，以及工作過(guò)程中系統(tǒng)的傳輸距離和負(fù)載發(fā)生變化時(shí),，發(fā)射端的等效電感會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成失諧^[26],。為此,，文中提出了采用鎖相環(huán)PLL控制方法。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)輸入端電壓和電流,，比較兩者間的相位進(jìn)而產(chǎn)生誤差電壓,，由該誤差電壓控制調(diào)節(jié)壓控振蕩器，使其輸出新的工作頻率來(lái)使系統(tǒng)重新達(dá)到諧振狀態(tài),。韓國(guó)三星高級(jí)技術(shù)研究所KIM N Y等人提出采用擾動(dòng)分析法,，選擇初始的工作頻率，然后以一定的步長(zhǎng)迭代,，搜尋能夠滿(mǎn)足一定傳輸效率的工作頻率,，然后將搜索到的頻率設(shè)為系統(tǒng)新的工作頻率^[28],。針對(duì)頻率分裂問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂玥瓏等人通過(guò)合理設(shè)計(jì)參數(shù)不同的線(xiàn)圈,，能夠使系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足頻率分裂的條件,，從而有效地解決頻率分裂問(wèn)題^[29]。日本東京大學(xué)BEH T C等人提出采用自動(dòng)阻抗匹配方法,，利用Γ型匹配電路,，選用繼電器結(jié)合二進(jìn)制電容的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方法，將分裂的偶模式下的工作頻率調(diào)整到ISM頻段的13.56 MHz,，提高系統(tǒng)在該頻率下的傳輸性能^[30],。

    MCR-WPT的兩線(xiàn)圈間傳輸效率高，但是受到驅(qū)動(dòng)源損耗,、開(kāi)關(guān)損耗,、渦流損耗、工作負(fù)載,、阻抗匹配程度等多方面的影響,，導(dǎo)致其整體效率并不高。中國(guó)科學(xué)院電工研究所陳德清等人通過(guò)研究系統(tǒng)的損耗模型,，得出了當(dāng)磁體結(jié)構(gòu)成發(fā)射狀時(shí)系統(tǒng)的總損耗最小^[31],。上海交通大學(xué)傅旻帆等人指出采用DC-DC變換，跟蹤靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下最優(yōu)負(fù)載值,，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率或傳輸效率^[32],。另外韓國(guó)電氣研究院Kim Jung-Ho等人指出采用多線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，能夠提高系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度,，進(jìn)而提高傳輸效率^[33],。

    由于ICPT和MCR-WPT均是以電磁場(chǎng)為媒介，因此涉及到電磁安全問(wèn)題,。必須采取相應(yīng)的措施來(lái)減弱或消除這些危害,。東南大學(xué)陳琛等人指出在引入汽車(chē)金屬底盤(pán)后，能夠?qū)Υ艌?chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用,，可很好地對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)^[25],。韓國(guó)先進(jìn)科技學(xué)院KIM S通過(guò)引入一個(gè)串聯(lián)連接了補(bǔ)償電容的諧振線(xiàn)圈來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽^[34]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所朱慶偉等人提出在發(fā)射裝置外沿加裝水平屏蔽帶的屏蔽方式,，實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性^[35],。

2.3 MPT在EV無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用

    MPT有很強(qiáng)的穿透效率，但是要求能量定向精確,，能量利用效率低,，且易受氣候條件影響。MPT多用于太陽(yáng)能衛(wèi)星,、臨近空間飛行器等遠(yuǎn)距離輸能,，目前在低功率應(yīng)用領(lǐng)域得到關(guān)注,。為了將該技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電中，人們進(jìn)行了以下探索：

    三菱重工開(kāi)發(fā)了基于微波 WPT 的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng),，系統(tǒng)能量變換效率僅有38%,。從2003年到2008年，日本京都大學(xué)與尼桑汽車(chē)公司合作,，在工作頻率為2.45 GHz的條件下,，開(kāi)發(fā)了基于MPT技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)，傳輸距離約為10 cm^[36],。該校的OIDA A等人設(shè)計(jì)了越野車(chē)輛模型并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,，系統(tǒng)的傳輸效率不到1%。為了改善性能,，由原來(lái)的喇叭型天線(xiàn)改為拋物線(xiàn)型,，效率雖然提高到了5%，但還是不能滿(mǎn)足實(shí)際工作需求^[37],。由此可見(jiàn),，該技術(shù)在現(xiàn)階段存在的主要問(wèn)題是傳輸效率太低。

3 EV無(wú)線(xiàn)充電未來(lái)發(fā)展的方向

    為了能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電的商業(yè)化,，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：

    (1)智能取電,，能量加密。當(dāng)多輛電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電時(shí),，需要將能量加密,，對(duì)負(fù)載識(shí)別，考慮該給哪輛汽車(chē)充電,，充多少電量的問(wèn)題。只有經(jīng)過(guò)識(shí)別認(rèn)證的車(chē)輛,，才能允許充電,。

    (2)有序充電。在無(wú)序充電的情況下,，大量電動(dòng)汽車(chē)的充電會(huì)加劇電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng),，使電網(wǎng)能量損耗和經(jīng)濟(jì)效益惡化，因此,，采取合理的有序充電控制策略能有效地提高電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模充電負(fù)荷的容納能力,。

    (3)智能導(dǎo)航系統(tǒng)。研發(fā)智能導(dǎo)航系統(tǒng),，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)停泊或行駛在與發(fā)射裝置對(duì)準(zhǔn)性較高的位置,，既能經(jīng)濟(jì)有效地利用電能，又能降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和要求,。

    (4)新材料的應(yīng)用,。通過(guò)新材料的應(yīng)用,，減小系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)的輸出功率,、傳輸效率,，以及增大傳輸距離、降低錯(cuò)位容差和方向性的要求,，增強(qiáng)系統(tǒng)的適用度,。

4 總結(jié)

    對(duì)電動(dòng)汽車(chē)采用無(wú)線(xiàn)充電更加符合未來(lái)社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。本文主要介紹了三種WPT技術(shù)的工作原理及其在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電中的應(yīng)用并對(duì)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題以及解決方法進(jìn)行總結(jié),。希望通過(guò)本文的總結(jié)分析能為WPT技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電中的研究與應(yīng)用提供有益的參考,。

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文獻(xiàn)28-37略

作者信息:

張  鑫，賈二炬,，范興明

（桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化系,，廣西 桂林541004）